Skillnad mellan konvektion och ledning

Huvudskillnad - Konvektion kontra ledning

Konvektion och ledning är båda mekanismerna för värmeöverföring. De huvudskillnad mellan konvektion och ledning är det, jagn konvektion överförs värme genom ett massflöde av material under ledning, värme överförs genom kollisioner av partiklar som utgör materialet.

Vad är ledning

Partiklar som utgör saken är alltid på gång. När temperaturen ökar har partiklarna större kinetiska energier, och följaktligen vibrerar de med större amplitud. Under ledning, en vibrerande partikel knackar en grannpartikel, som ger energi på den partikeln. Denna partikel vibrerar nu med en större amplitud, och den kan kollidera med en annan närliggande atom, vilket ger den energi. Denna energiöverföringsprocess kan fortsätta från ena änden av ett objekt till den andra änden. Eftersom en ökad partikelkinetisk energi manifesterar sig fysiskt som en ökning av temperaturen, åtföljs den gradvisa ökningen av partikelns kinetiska energier längs objektet av en gradvis ökning av temperaturen längs föremålet. Denna process, varvid värme överförs som ett resultat av kolliderande partiklar, kallas ledning.

Möjligheten hos ett material att överföra värme via ledning karakteriseras av dess konduktivitet. Hastigheten för värmeöverföring,  eller värmeströmmen, mellan två föremål som har en temperaturdifferens på  ges av

var   och är tvärsnittsarean och längden av ledarens överföringsvärme respektive. Brevet  är värmeledningsförmåga, mätt i enheter av W m^-1 K^-1.

Såsom framgår av ekvationen är värmeöverföringshastigheten direkt proportionell mot temperaturskillnaden och ledarens tvärsnittsarea och omvänt proportionell mot ledarens längd. Värdet av värmeledningsförmågan beror på materialets mikroskopiska egenskaper. Metaller är bra termiska ledare eftersom de innehåller ett stort antal fria elektroner som kan kollidera fritt för överföring av energi. Under tiden kommer de joner som bildar gitteret att vibrera om fasta positioner också kollidera och överföra värme. De fria elektronerna är emellertid ansvariga för det mesta av värmeöverföringen i metaller.

Vad är konvektion

Konvektion är mekanismen för värmeöverföring i material genom ett massflöde av materialet. Här för att överföra värme rör sig delar av materialet i sig, dvs det föreligger en överföring av massa i materialet. Vanligtvis förekommer konvektion i vätskor. Emellertid kan effekter av konvektion ses ibland i fasta ämnen, såsom vid plåtektonik. Diagrammet nedan visar konvektionsvridningsmönster som bildas av ånga som stiger från en kopp kaffe:

Konvektionsströmmar börjar bildas i ånga som stiger från en kopp varmvätska

Konvektion är en komplex process och det finns ingen enkel ekvation som beskriver den fullständigt. Vi kan emellertid använda en approximation för fall där en vätska värms med en fast yta. För dessa fall, värmeöverföringshastigheten  ges av,

var  är ytan som värmen överförs genom,  är temperaturen hos det fasta materialet,  är temperaturen i luften.  är känd som konvektiv värmeöverföringskoefficient. Denna koefficient beror på ett antal egenskaper inklusive densiteten, viskositeten och flödeshastigheten hos vätskan. Enheten för konvektiv värmeöverföringskoefficient är W m^-2 K^-1.

Observera att vätskorna som överför värme via konvektion också överför värme via ledning. Om ledningen är mycket effektiv kan den förhindra bildandet av konvektionsströmmar och hindra konvektiv värmeöverföring. Huruvida den dominerande värmeöverföringsmekanismen är ledning eller konvektion för en vätska kan hittas genom att beräkna ett nummer som är känt som Rayleigh nummer.

Diagrammet nedan illustrerar fall där var och en av de tre typerna av värmeöverföringsmekanism är dominerande.

Skillnad mellan de tre huvudsakliga värmeöverföringsmekanismerna som illustreras: Skillnaden mellan konvektion och strålning var täckt av en annan artikel.

Skillnad mellan konvektion och ledning

Mekanism

Ledning överför värme via överföring av kinetisk energi under kollisioner mellan vibrerande partiklar.

Konvektion överför värme genom att flytta partiklarna som utgör materialet.

Material

Ledning är typiskt den dominerande mekanismen för värmeöverföring i fasta ämnen.

Konvektion är typiskt den dominerande mekanismen för värmeöverföring i vätskor.

Image Courtesy

"Konvektion" av Rebecca Siegel (eget arbete) [CC BY 2.0], via flickr

"ไทย: http://www.roasterproject.com/2010/01/heat-transfer-thebasbas/" av Kmecfiunit (eget arbete) [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons